（交通运输工程专业论文）gnss与无线电导航仪表非精密进近的成本效益比较研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 ( 全球导航卫星系统( g n s s ) 包括全球定位系统( g p s ) 和全球轨道导航卫星系 统( g o n a s s ) ，是当今世界民用航空通信、导航、监视、空中交通管理( c n s a t m ) 技术的发展和应用趋势。全球定位系统( g p s ) 包括：空间2 4 颗g p s 卫星、地 面控制站组和用户接收机三部分。g p s 和g l o n a s s 是无源测距系统，用户通过 该系统比较接收到的卫星发射信号及本地参考信号，测量出信号传播延时t ， 而测出卫星和用户的距离d ，由此计算出用户的位置。 g n s s 在民用航空发达的欧美国家发展很快，中国民航也作出了卫星导航在 我国民航的规划和实施计划，g n s s 能满足终端区仪表非精密进近程序标准的要 求，引领飞机完成进近着陆。陆基无线电导航仪表非精密进近主要包括n d b 进 近和v o r 进近，在我国目前是保证飞机在复杂气象条件下，按仪表飞行规则进 近 某 效益的研究内容，先给出成本效益分析的一般方法和特殊因素的修正方法，介 绍了g n s s 仪表非精密进近和传统陆基导航设施下的仪表非精密进近的成本包 括程序的建设成本、维护成本和程序的运行使用成本以及对应每项成本的计算 方法，分析出两类仪表非精密进近程序对航空营运人带来的效益包括安全效益 和经济效益，安全效益包括常规安全效益和可避免的事故损失两种，两类程序 的直接经济效益是由于采用新的进近程序后，降低了进近着陆的最低天气标准 而使着陆次数的增加，从而减少了非正常飞行次数而体现出的成本节约，并详 细给出了增加的着陆次数的计算方法，再根据相关因素作出调整，从而推导出 直接经济效益的计算方法。最后根据两种程序的成本效益比较，得出中小机场 的仪表进近程序建设的系统优化方法。f 对于我国西部开发中大量即将建设和改 造的中小支线机场的程序建设的方案选择起着重要的理论指导作用。卜一勺一一 关健词支线机场；全球导航卫星系统；无线电导航；仪表非精密进近：成本 效益 亘塑窒塑查兰堡主塑窒圭兰笪笙塞 篁! 夏 a b s t r a c t g 1 0 b a l n a y i g a t i o n a n ds a t e l l i t e s y s t e m ( g n s s ) c o n s i s t so f g l o b a l p o s i t i o n i n gs y s t e m a n dg 1 0 b a l n a v i g a t i o n s a t e l l i t e s y s t e m ( g l o n a s s ) i t i sc u r r e n tt e c h n i c a l d e v e l o p i n g a n d a p p l y i n gt r e n d s i n t o d a y sc i v i la v i a t i o nc o n l i n u n i c a t i o n ，n a v i g a t i o n m o n i t o t i n g a n da i rt r a f f i cc o n t r o l ( c n s a t m ) g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ( g p s ) i n c l u d e s t h r e ep a r t s ：2 4g p ss a t e l lit e s ，g r o u n dc o n t r o l s t a t i o n g r o u p s a n du s e r sr e c e i v e t g p sa n dg l o n a s si san o n r e s o u r c ed i s t a n c em e a s u r i n g s y s t e mb y w h i c hau s e rr e c e i v e r t r a n s m i t t e d s i g n a l sa n d l o c a lr e f e r e n c es i g n a l st om e a s u r es i g n a l t r a n s m i t t i n g t i m ea n dd e t e r m i n et h ed i s t a n c eb e t w e e ns a t e l l i t ea n d u s e r t h e r e f o r eu s e r s1 0 c a t i o ni sc a l c u l a t e d g n s sd e v e l o p sv e r yf a s ti ne u r o p e a na n da m e r i c a nc o u n t r i e sw h e r e c i v i la v i a t i o ni sa d v a n c e d c i v i la v i a t i o no fc h i n ah a sa l s o m a d e s c h e d u l e p e r f o r m i n gp l a n s t ou s et h es a t e l1it en a v i g a t e g n s s t o m e e tr e q u i r e m e n t sf o rt e r m i n a ln o n p r e c i s i o na p p r o a c hp r o c e d u r et o g u i d ea i r p l a n e s a p p r o a c h a n d l a n d i n g g r o u n d b a s e dr a d i 0 n a v i g a t i o n a li n s t r u m e n t s ( n o n p r e c i s i o n )m a i n l y c o n s i s t so f n d b a p p r o a c ha n dv o ra p p r o a c h i t i so n eo ft h ei m p o r t a n c em e t h o d s1 ；o e n s u r e a p p r o a c h a n d l a n d i n g u n d e ri f rc o n d i t i o n si n c o m p l e x m e t e o r o l o g i c a le n v i r o n m e n t s c o s t a n db e n e f i ts h a l lb e a n a l y z e d t o d e t e r m i n ew h i c ha p p r o a c hp r o c e d u r et oa d o p ta tf e e d e r r o u t ea i r p o r t a c c o r d i n gt o t h ec o n t e n t so fi n t e r n a t i o n a lc i v i la v i a t i o n o r g a n i z a t i o nc o s ta n db e n e f i ta n a l y s i s ，t h e p a p e rp r o v i d e sg e n e r a l m e t h o d st om a k ec o s t b e n e f i t a n a l y s i s a n di t s c o r r e c t i n g m e t h o d sf o r s p e c i f i cc o n d i t i o n s n o n p r e c i s i o n i n s t r u m e n t a p p r o a c hu n d e r g n s sa n dt r a d i t i o n a l g r o u n d b a s e de q u i p m e n t s i n c l u d e sc o n s t r u c t i o n c o s t ，p r o c e d u r eo p e r a t i n g c o s ta n d c a c u l a t i n g m e t h o d so fe a c hi n d i v i d u a lc o s t b e n e f i t i n c l u d e s s a f e t yb e n e f i ta n de c o n o m yb e n e f i to f t h et w ok i n d so fn o n p r e c i s i o n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 j i 页 a p p r o a c h e s i s a n a l y z e d f o ra v i a t i o no p e r a t o r s s a f e t y b e n e f i t i n c l u d e sc o n v e n t i o n a ls a f e t y b e n e f i ta n da v o i d a b l e 1 0 s sf r o m a c c i d e n t s d i r e c tb e n e f i t f r o mb o t h p r o c e d u r e si st h a ti t 1 0 w e r s t h en u m b e r so fl a n d i n gu n d e rm i n i m u mw e a t h e rr e q u i r e m e n t s a n d r e d u c e sc o s to fn o n r o u t i n ef li g h t s b e s i d e sd e t a i1 e dm e t h o d s t o c a l c u i a t e 1 a n d i n g n u m b e r si sp r o v i d e d ，n e c e s s a r ya d j u s t m e n t si sm a d e o nt h eb a s i so fr e l e v a n tf a c t o r s ，a n dc o n s e q u e n t l yt h em e t h o d s u s e d t oc a l c u l a t et h ed i r e c te c o n o m yb e n e f it t h ee n do ft h i s p a p e ri s b a s e do ns u c h c o m p a r i s o n a n dr e c o m m e n d st h e s y s t e mo p t i m i z i n g m e t h o d sf o r m i d d l y - s m a l l s i z e da i r f i e l d sc o n s t r u c t i o nt h e p r o c e d u r e s f e e d e r r o u t ea i r f i e i d sa r et ob eb u i l to rr e b u i l t i nw e s t c h i n ad e v e l o p m e n tp r o j e c tt h es a i dp r o p o s a lc a ng i v es o m e g u i d a n c ef o r t h ec o n s t r u c tjo n k e y w o r d s ：e e d e r r o u t e a e r o d r o m e ：g n s s ：r a d i on a v i g a t i o n n o n p r e c i s i o n i i s t r u m e n t a p p r o a c h ：c o s t b e n e f i t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 问题的提出 全球导航卫星系统( g n s s ) 是一种根据卫星信息进行精确导航定位的系 统，目前包括美国的全球定位系统( g p s ) 和俄罗斯的全球轨道导航卫星系统 ( g l o n a s s ) 1 。该系统与传统的陆基无线电导航系统相比，定位精度高。在 地面、空间或机载增强设备配合下，有能力支持飞机从航路飞行一直到i 类 精密进近着陆的运行。对民用航空营运人而言，g n s s 具有良好的安全、经 济效益。 陆基无线电导航是二十年代后期到九十年代末全世界民航主要的导航方 法，包括现在正在广泛运用的甚高频全向信标系统( v o r ) 2 1 ，无线电测距机 ( d m e ) 口 ，无方向性信标( n d b ) 2 ，仪表着陆系统( i l s ) “1 等，陆基无线 电导航的突出优点是不受时问、天气的限制；精度较高、可以连续地、适时 地完成云中、云上、夜间、低能见度等复杂气象条件下的导航任务。在我国 经济快速健康发展的大环境下，我国民航运输也得到较快的发展，特别是在 近十多年，我国民航的通讯导航等地面设施建设很快，在连接京、广、沪的 三大枢纽机场的航路上完全实现了v o r 、d m e 、监视雷达( p a r ) i s 的覆盖。国 家提出的西部大开发的宏伟战略目标为中西部的航空运输业带来了跨越式发 展的机遇 6 ，西部各省区都制定了航空运输的发展目标和发展支线机场的计 划。但是由于地理环境、经济、气象等条件的限制，西部地区不可能象东部 地区样大规模地建设甚高频全向信标系统( v o r ) ，无线电测距机( d m e ) ， 无方向性信标( n d b ) ，仪表着陆系统( i l s ) ，监视雷达( p a r ) 等传统的无线 电导航和监视设施m 】。这也和航空导航都采用g n s s 的发展趋势不相符。特别 是终端区的导航设施和相应的进近程序的建设不仅关系到机场的投资成本和 经济效益，也关系到航空营运人的经营成本和经济效益。那么在这类机场的 进近程序的投资和建设时采用哪一种程序是机场建设部门应首要考虑的问 题。如何全面认识全球导航卫星系统( g n s s ) 、陆基无线电导航及两种导航系 统的进近程序的各类成本和经济、安全效益是每一个民航专业人员面临的任 务。 1 2 国内外的全球导航卫星系统( g n s s ) 研究和发展现状 g n s s 与传统的陆基无线电导航系统有根本的不同，目前g n s s 已经在世 界各国的民航中得到广泛的运用，就终端区飞机进近着陆而言，欧美等航空 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 运输大国已经从陆基无线电导航设施下的仪表非精密进近程序，过渡到g n s s 非精密进近，并取得了良好的安全、经济效益，现正向g n s si 类及更高标准 的精密进近程序发展” ，如澳大利亚于1 9 9 4 年就开始使用g p s 作为航路辅助 导航设备，随着g p s 精确性、完好性、可用性的提高，开始进行g n s s 和陆基 无线电导航用于仪表进近的成本效益方面的研究，并取得了这方面的成就， 并广泛用于民用航空导航设施的建设。加拿大航空运输部通过对g p s 及其增 强系统对民航飞机在仪表进近及航路飞行等方面的安全和经济效益的研究， 认为在加拿大北部的许多人烟稀少的非管制空域的边远山区，要提供可靠而 准确的陆基无线电导航很困难，成本很高。而且在许多繁忙的航线上不可能 实现陆基导航设施的覆盖，而在边远地区的许多机场只有非精密进近，如利 用g p s 非精密进近可以降低天气标准，提高机场的可用性和运行的安全性， 为航空公司带来明显的安全和经济方面的效益 8 】。美国是g n s s 的最早研究国 家之一，在g p s 的运用方面一直走在世界前列，美国联邦航空局( f a a ) 已 于1 9 9 3 年批准首台g p s 接受机用于航路导航和仪表非精密进场着陆引导，随 即展开了大量的g p s 用于仪表非精密进近的成本效益研究，并得出g p s 用于 仪表非精密进近会产生良好的安全和经济效益，在1 9 9 4 年9 月f a a 批准了马 里兰的f r e d e r i c k 机场、威斯康星的w i t t m a n 机场和德克萨斯的d e n t o n 机场 为首批采用g p s 进行仪表非精密单独进近的机场，并批准大陆捷运航空公司 采用d g p s 进行航路导航和非精密进近，并取得了良好的安全和经济效益。另 外，法国和德国等欧盟国家也做了大量关于的g n s s 用于仪表非精密进近的成 本效益研究和实验，都一致支持使用g p s 用于仪表非精密进近，并很快用于 大量国家支线机场和私人机场，取得了很好的效益随 。国际民航组织为支持 各缔约国发展和使用g n s s ，制定了g n s s 的全球发展计划阳 。中国作为国际民 航组织缔约国之一，中国民航积极参与国际民航组织新航行系统的研究、试 验、实施工作，在中国民航学院成立了新航行系统研究所，开展了大量的g n s s 用于航路导航和仪表进近的研究，取得良好的成绩。中国民航总局空管局科 技发展处多次派出专家和技术人员参与i c a o 的各种专家活动并在国内开展了 大量的技术讲座和研讨会。中国民航根据我国的实际情况，制订了中国民航 向卫星导航系统过渡的实施政策和分阶段实施计划“，根据该实施政策和分 阶段实施计划我国民航将从目前的陆基无线电导航逐渐过渡到g n s s ，并首先 在中国西部运用实施g n s s ，2 0 0 0 年6 月2 4 日，在中国民航新开辟的中国西部 新航行系统航路上，澳大利亚快达航空公司q f 0 0 2 航班顺利完成新航路 ( l 8 8 8 ) 的试飞。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 3 本文研究的主要内容和方法 本文先介绍g n s s 原理、g n s s 非精密进近程序、相关设备和陆基无线电导 航下的n d b 、v o r d m e 仪表非精密进近程序及相关设备，再根据国际民航组织 的成本效益的研究内容，先给出成本效益分析的一般方法和特殊因素的修正 方法，介绍了g n s s 仪表非精密进近和传统陆基导航设施下的仪表非精密进近 的成本包括程序的建设成本、维护成本和程序的运行使用成本以及对应每项成 本的计算方法，分析出两类仪表非精密进近程序对航空营运人带来的效益包括 安全效益和经济效益，安全效益包括常规安全效益和可避免的事故损失两种， 两类程序的直接经济效益是由于采用新的进近程序后，降低了进近着陆的最低 天气标准而使着陆次数的增加，从而减少了非正常飞行次数而体现出的成本节 约，并详细给出了增加的着陆次数的计算方法，再根据相关因素作出调整，从 而推导出直接经济效益的计算方法。最后根据两种程序的成本效益比较，得出 中小机场的仪表进近程序建设的系统优化方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 第2 章全球导航卫星系统( g n s s ) 的概述 全球导航卫星系统( g n s s g l o b a ln a v i g a t i o n s a t e l l i t es y s t e m ) 包括美国的全球定位系统( g p s g l o b a l p o s i t i o ns y s t e m ) 和俄罗斯的 全球轨道导航卫星系统( g l o n a s s g 1 0 b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t es y s t e m ) 。 g p s 和g l o n a s s 都具有在全球世界范围内提供精确位置和时间的能力，两个系 统所能提供的导航精度可以满足航空器从航路飞行到终端区仪表进近着陆的 要求。完好性、有效性和持续性的要求可以通过机载、陆基或星基的技术和 设备来满足，使用差分技术可以提高定位精度。整个系统，包括g p s 、g l o n a s s 和所有的增强系统都属于g n s s 。 2 1全球定位系统( g p s ) 2 1 1全球定位系统( g p s ) 的发展 全球定位系统( g p s ) 原名为“导航星( n a v s t a r ) ”系统，是美国国防 部于1 9 7 3 年1 1 月授权开始研制的海陆空诸军种共用的第二代卫星导航系统， 是美国继阿波罗登月飞船和航天飞机之后的第三大航天工程。该系统可以提 供连续的全球覆盖，整个系统需要2 4 个卫星以保证全球符合精度的定位。 该计划分为三个阶段，第一阶段从1 9 7 3 年持续到1 9 7 9 年，这阶段进 行方案论证。此阶段内发射了四颗用作系统实验的卫星，以验证其能否达到 预定的目标。第二阶段从1 9 7 9 年到1 9 8 4 年，进行了全面的系统研制和测试， 取得了显著的进展。第三阶段为实用组网阶段，从1 9 8 9 年2 月起，发射了b l o c k i i i i a 的工作卫星，1 9 9 3 年2 月第2 4 颗卫星送上轨道，实用的g p s 网即g p s 星座已经建成。1 9 9 3 年1 2 月，g p s 卫星星座已经达到初始工作能力 。从此 时起，商业用户和民用用户可以享受到g p s 提供的标准定位服务( s t a n d a r d s p o s i t i o ns e r v i c e s p s ) 3 h ，即水平精度至少9 5 的时间达到1 0 0 m 内。 2 1 2g p s 的工作原理 2 1 2 1 g p s 的组成g p s 包括三个部分：空间g p s 卫星，地面控制站组， 用户接收机，如图2 - i 。 g p s 空间部分由2 4 颗分布在倾角为5 5 。的6 个等间隔轨道上的卫星组 成，此外还留有l 4 颗备用轨道卫星，卫星分布如图2 2 ，这样卫星分布可 保证全球任何地区、任何时刻有不少于4 颗卫星以供观测，卫星轨道离地高 度为2 0 2 3 0 m 。g p s 卫星除了卫星自身的控制推进系统外，还有提供导航信号 的无线电收发机，天线，原子钟和计算机等。其铯原子钟具有l l 旷“的稳定 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 度，各卫星的原子钟相互同步，并与地面站组的原子钟同步，建立起g p s 精 密时系，称为g p s 时间，是g p s 精密测距的基础，导航发射机以双频1 5 7 5 4 2 m h z 和1 2 2 7 6 0 m h z 发射导航信号，通过测量这些信号的到达时间，用户接收机可 以从可视范围内任4 颗卫星采集信号，从而确定出用户的经度、纬度、高度、 时间等导航参数。g p s 的基本技术和性能如下表2 1 。 图2 1g p s 的组成图2 2g p s 空间卫星分布 表2 l ：g p s 的基本技术和性能 1 卫星( 空间部分)2 卫星信号 星座：2 4 颗( 4 颗卫星6 个轨道)载波频率：1 5 7 5 4 2 m h z 高度：2 0 2 3 0k m信号功率：一1 6 0 d b w ( 在地球表面) 周期：1 1 小时5 6 分极化方式：右旋圆极化 轨道倾角：5 5 。 卫星设计寿命：7 5 年 3 精度( s p s )4 覆盖性：全球 水平：l o o m ( 9 5 概率)5 用户容量：无限 3 0 0 m ( 9 9 9 9 概率) 6 坐标系统：w g s 一8 4 ，以地球 垂直：1 5 6 m ( 9 5 概率) 质心为中心、与地球 伪距：速度不超过2 m s ，加速度不 固联 超过1 9 r r u r s ，9 5 概率为8 m m s 2 时间：3 4 0 n s ( 9 5 概率) & p s 的地面控制站组包括1 个主控站，5 个监测站和3 个注入站。其分布 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 如图：23 。监测站使用g p s 接收机被动地跟踪视界内的所有卫星，并且累积 从卫星信号中提取的距离信息。主控站处理来自于监测站的信息，以确定卫 星时钟和轨道的状态，并更新每颗卫星的导航信息。这些更新后的信息 通过注入站发送给卫星。注入站不仅可以向卫星注入更新后的信息，还可以 发送和接收卫星的健康信息和控制信息。 图2 3 ：g p s 地面控制站组的分布 g p s 用户接收机是采用无源测距工作方式，凡有g p s 接收设备的用户都 可以使用g p s 进行导航定位。接收设备包括天线、接收机、微处理机、控制 显示设备等。 2 1 2 2g p s 的基本工作原理g p s 是无源测距系统，用户通过此系统比较 接收到的卫星发射信号及本地参考信号，测量传播延时t ，t 正比于卫星和 用户的距离d ：d = ct 。其原理如图2 - 4 。 图2 4 ：g p s 的基本工作原理 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 g p s 通过一颗卫星只能测得一个距离参量，所以测得三个距离参量至少 要有三颗卫星才能确定出飞机的三维位置。当系统以无源方式工作，用户又 未装备高稳定度时钟时，用户从一颗卫星测得的伪距可表示为公式2 1 ： d + = ( x 以，) 2 + ( y 弧。) + ( z z 。，) 2 + c af i21 式中： i 表示第i 颗卫星： 五只z 表示飞机的宇宙直角坐标； 五，儿，忍。表示第i 颗卫星的宇宙直角坐标。 由于所有的卫星都采用高精度时钟，并且各卫星时钟相互严格同步，所以 a t = t ，表达式可写成： 磷= 鼻( x 只z t ) 此方程含有四个未知量，要解此方程，必须建立四个独立方程，这意味 着用无源测距定位方法确定的飞机的三维位置和一维时钟，在空间至少需接 收到四颗卫星的信号，从四颗卫星测量四个伪距。从几何上讲，由四个伪距 形成的四个位置面相交的交点，就是飞机在四维空间的位置点。 2 1 2 3g p s 采用四维无源测距定位的实施步骤 1 以卫星作为时空基准点； 2 测量出定位时间参数，建立位置面或导航定位方程； 3 求解用户位置。 2 1 2 4g p $ 的特点 1 g p s 的优点 ( 1 ) g p s 具有全球、全天候、连续导航能力。系统能提供连续的实时的三维 空间坐标、三维速度和精密时间，并具有良好的抗干扰性能。 ( 2 ) g p s 具有高精度。系统三维空间定位精度优于1 0 m ，三维速度精度优于 3 c m s ，时间精度为2 0 3 0 n s 。 ( 3 ) g p s 能满足各类用户。系统可用于铁路、航空、城市交通、农业、森木 防火、地震预报、救援等。 ( 4 ) g p s 具有多种功能。系统可以广泛用于导航、搜索、通信、交通管理、 授时、航空摄影、大地测量等。 ( 5 ) g p s 为连续输出，更新率高，一般为每秒一次，适用于高动态移动用户 的定位； ( 6 ) g p s 用户设备简单，购置费用较低。 2 g p s 存在的缺陷 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 1 ) g p s 卫星工作于l 波段，电波入水能力差，不能用于水下导航。 ( 2 ) g p s 的完好性监测和报警能力不足，对卫星的一些软故障要在很长时间 后才能发出故障状态信息； ( 3 ) 整个系统维护费用较高。每年大约需5 亿美元的维护费。 ( 4 ) g p s 的可利用性即所有地区的连续服务不足。 2 1 3 差分g p s 技术 随着g p s 技术的完善和发展，为了使g p s 为飞机提供仪表精密进近着陆， 人们利用差分技术对g p s 的定位性能进行改善，这种利用差分技术后的g p s 称 为差分全球定位系统，简称d g p s ( g p s s y s t e m ) 。 麓矜垒馨蹙夔黝魄 粉撇嗨厂葚= 墼逾 图2 - 6 典型d g p s 结构网 一 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 2 1 3 1 差分g p $ 的工作原理差分g p s 的原理如图2 5 所示，在地面已知位 置设置一个地面站，地面站由一个g p s 差分接收机和一个差分发射机组成。 差分接收机接收卫星信号监测g p s 误差，并按规定的时间间隔把修正信号发 送给用户。用户用修正信息校正自己的测量数据或信号数据，实现差分g p s 技术的方法有位置修正法和伪距修正法“。如图2 6 所示为一中常用的d g p s 结构网。 2 132两种典型的增强技术系统 由于差分基准台可以同时兼作完好性监 视，伪卫星可以同时提高可用性，连续服务性和完好性。因此所有的这些地 面g p s 差分设施可以对g p s 进行增强，把差分技术强调其性能增强的一面， 称为“增强系统”。目前航空领域运用的典型增强系统有局域增强系统( l a a s ) 和广域增强系统( w a a s ) 8 1 。如图2 7 为w a a s 技术原理图。其原理为：导航信 号( 1 ) 从g p s 和g l o n a s s 卫星发射给用户( 2 ) ，这些信号也被由政府机构控 制的完好性监测站( 3 ) 所接收。这些监测的数据传送到地区完好性监视网中 心处理设施( 4 ) 。在中心处理设施，这些数据经处理后送到导航地球站( n e s ) ( 5 ) 和( 1 0 ) 。在n e s ，扩频导航信号精确地与一个参考时间同步，并在上行 信号( 6 ) 中调制一个完好性信息信号。扩频导航信号通过卫星( 7 ) 上的导 航部件进行频率转换后，变换为l 波段的导航发送给用户( 8 ) 。此外，还在c 波段发射一个识别( 9 ) ，用来保持导航信号的时间同步。n e s 和中央处理设施 可位于一起。屏蔽的n e s ( 1 0 ) 作为“热备份”从中央处理设施接收识别数据， 并保持时间同步 i 。 图2 7 为w a a s 技术原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 2 1 4g p s 在航空领域中的应用 g p s 现在广泛运用于诸多领域，在航空导航方面也得到普遍应用，主要表现 地以下几个功能：( 1 ) 用于导航数据显示；( 2 ) 编排飞行计划；( 3 ) 计算时间及 导航参数；( 4 ) 显示各种飞行参数；( 5 ) 与f m s 相交链“，完成导航管理和性 能管理；( 6 ) 与惯性导航系统相交链，实现组合导航；( 7 ) 引导飞机完成航路 飞行和仪表进近着陆。 2 2 全球轨道导航卫星系统g l o n a s s 原苏联也有类似于美国g p s 的系统，称为全球轨道导航卫星系统( g l o n a s s ) ，g l o n a s s 于1 9 8 2 年1 0 月起步，星座的轨道为三个等间隔圆轨道，卫 星离地刻度1 9 1 0 0 k m ，轨道倾角6 4 8 。，每条轨道上等间隔分布8 颗卫星， 如图2 8 ，于1 9 9 7 年1 月建成。 图2 8 ：全球导航卫星系统( g l o n a s s ) 的卫星分布 2 2 1g l o n a s 8 空间卫星 g l o n a s s 卫星向空间辐射两种载波信号：l = 1 6 g h z ，l 2 = 1 2 g h z ，l ，为军用， l 。既服务于军方，也服务于民用。每颗g l o n a s s 卫星上装有铯原子钟以产生 卫星上高稳度时间标准，并向所有星载设备提供精密时间同步，星载计算机 将从地面控制系统接收到的专用信息进行处理，并生成导航电文向用户广播。 2 2 2 地面控制系统 g l o n a s s 地面控制站组包括一个系统控制中心，一个指令跟踪站，都分布 在俄罗斯境内。指令跟踪站跟踪可视见卫星。它遥测所有卫星，进行测距数 据的采集和处理，并向各卫星发送控制指令和导航信息。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 2 2 3g l o n a s s 的用户设备 g l o n a s s 接收机自动接收导航信号，进行测距和测速，同时从卫星信号中 选出并处理电文，接收机中的计算机对所有输入数据处理并计算出位置坐标 的三个分量，速度矢量的三个分量和精密时间。 2 3从g p s g l o n a s s 演进成g n s s 由于g p s 或g l o n a s s 都在单一军方的控制下，其他国家无法作长远计划， 且没有保障。并且卫星导航应能保证高精度并且解决所有飞行阶段直到非精 密进近和i 类精密进近的应用，这样才可省去一些着陆引导设备或撤消所有 陆基无线电导航设施，才能节约费用，体现出相对经济性。 所以国际民航组织( i c a 0 ) 在充分考虑各缔约国的多元观点下，制定了 其新航行系统( c n s a t m ) 计划，其重要的一方面是实施全球卫星导航系统 ( g n s s ) 。使现在( g p s g l o n a s s ) 增加完好性和保证可用性，发展和扩大民 间成份( t n m a s t 一3 静止卫星导航重迭的民间部分) ，直至长远期的一个完善的 g n s s 系统删。 2 4中国民航关于卫星导航的规划和实施计划 我国实施全球卫星导航系统g n s s 的分阶段目标是： 第一步在航路、终端区和非精密进近作为单一导航手段使用： 第二步在i 类精密进近作好补充导航手段使用； 第三步在航路终端和非精密进近作为单一导航手段使用； 第四步在i 类精密进近作为单一导航手段使用“。 我国在逐步发展g n s s 的同时，支持延长i l s 的保护期，将使用i l s 的保 护期延长至2 0 1 0 年。但在这期间，要控制i l s 的新装数量，原则上以更新为 主，尽可能不在新建。在实施中采用双轨制的过渡的技术体制，即在过渡期 间同时采用现在正使用的路基无线电导航和g n s s 同时使用，然后，逐渐过渡 到g n s s 航路导航和终端区仪表非精密进近着陆。中国民航向g n s s 用于航路 导航和终端区仪表非精密进近着陆的过渡时间计划如下表2 2 。 表2 - 2 中国民航向g n s s 用于航路导航和终端区进近着陆过渡时间表 飞行阶段补充导航主要导航单一导航 海洋航路1 9 9 7 芷2 0 0 0 焦 大陆航路 1 9 9 8 正2 0 0 2 焦 终端进场 1 9 9 8 定2 0 0 2 芷 非精密进近 2 0 0 0 正2 0 0 2 芷 i 类精密进近2 0 0 2 正 2 0 0 5 拄 待定 西壹奎塑查兰堕主塑窒竺兰笪堡塞 篁! ! 戛 同时支持研究、发展和利用g n s s 及其广域增强系统( w a a s ) 技术，逐步 实现g n s s 在仪表非精密进近和i 类精密进近着陆中的应用。支持利用g n s s 及本地差分技术达到i i 类精密进近着陆的研究3 。直到在所有飞行阶段都利 用g n s s 作单一导航手段使用的前提条件下，可以撤消全部陆基导航设施。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 3 页 第3 章两类非精密进近程序及实施方法 仪表进近程序( i n s t r u m e n ta p p r o a c hp r o c e d u r e ) 是航空器根据飞 行仪表和对障碍物保持规定的超障余度进行的一系列预定的机动飞行，实际 上就是利用地面导航设施或空中导航卫星和机载无线电领航设备所提供的导 航数据，飞行员按照仪表指示进行一系列预定的机动飞行，机动飞行中必须 保证飞机对障碍物保持规定的超障余度。这种飞行程序( 即机动飞行) 是从 规定的进场航路或起始进近定位点开始，直到能够完成目视着陆的一点为止， 并且如果飞机不能完成着陆而中断进近，则应飞至等待点或航路飞行的一个 位置，即仪表进近程序包括进场程序，进近程序和复飞程序。 3 1g n s s 非精密进近程序 g n s s 非精密进近即利用机载g n s s 接收系统在接收机具备自主完好性监测 能力的条件下，引导飞机按照公布的g n s s 标准仪表进近程序，从起始进近点 开始，直到复飞点或复飞等待点结束的飞行程序。 3 1 1g n s s 非精密进近适合的机场 ( 1 ) 在只有陆基导航设施下的仪表非精密进近程序的机场，如四川的南 充机场、沪州、达县等中小支线机场，由于当地气象条件影响，原使用的进 近程序已不能满足该机场航空运输业务的增长需要，再安装g n s s 非精密进近 具有重要的经济、安全意义。 ( 2 ) 在新建的中小支线机场，对不可能安装先进的仪表精密进近设施( 如 i l s 和p a r 等) ，使用g n s s 非精密进近具有重要的经济、安全效益”。 ( 3 ) 在已有仪表精密进近程序的机场，但该机场的仪表精密进近设施不 完善或使用不好，而影响航空运输的安全和效益的情况下，则有必要建设g n s s 非精密进近程序。 3 1 2 建立g n s s 非精密进近的机场应满足的条件 ( 1 ) 机场跑道的着陆道面必须经过民航总局的鉴定并适合此g n s s 非精 密进近飞行的需要【2 ”。 ( 2 ) 对于机场保护区的障碍物应清除，或加以标注，或用灯光照明心。 ( 3 ) 按一定标准进行机场空域分析，证实跑道可以满足i f r 工作要求， 并符合终端仪表程序标准中所有的其他技术要求口”。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 ( 4 ) g n s s 非精密进近程序必须建立在一定的技术标准之上。如：各进近 定位点的高度、云底高、最低下降高、能见度等与终端仪表进近程序相符的 标准。 ( 5 )必须经过充分的飞行检查，以确保g n s s 信号质量满足仪表非精密 进近条件。 ( 6 ) 按照终端仪表进近程序标准的要求，在起始进近定位点( i a f ) 的 最低高度和进近复飞点的高度之间必须具备良好的地空通信能力。 3 1 3g p s 仪表非精密进近 从欧美等航空发达国家发展g p s 非精密进近的两个过程和实施方法来看， g p s 非精密进近程序分为g p s 重叠进近( g p sa p p r o a c ho v e r l a yp r o g r a m ，简 称6 p so v e r l a y ) 和g p s 单独进近程序( g p ssr a n da 1 0 r l ep r o g r a m ，简称6 p ss t a n d a l o n e ) 。 31 3 1g p s 重叠进近程序及实施方法g p s 重叠进近是使用机载g p s 导航 数据库进行的一切非精密进近程序，但不包括航向台( l o c ) ，航向台式定向设 备( l d a ) 和简式定向设备( s d f ) 的进近程序。也就是g p s 重叠进近允许飞行员 使用g p s 设备完成了有的n d b 、v o r 、v o r d m e 、d m e 弧等陆基导航设施下的非 精密进近。但着陆机场、备降场至少有一个在飞机到达时可用的除g p s 以外 的仪表进近程序。g p s 重叠进近程序的目的是为了使飞行员的仪表进近从陆基 无线电导航过渡到星基卫星导航，在实施中，g p s 重叠进近又分为i 、i i 、i i i 三个渐进阶段【1 “。 3 1 3 2q p s 单独进近程序及实施方法 g p s 单独进近程序是在g p s 接收机自主完好 性监测( r m m r e c e i v e ra u t o n o m a u si n t e g r i t y m o n i t o r i n g ) 设备能为该进近提供完好性监测的 情况下，使用机载g p s 导航数据库 3 町进行的一种 仪表非精密进近程序，整个进近过程不需要传统 的陆基导航设备及相应的机载电子设备的工作， 但如果g p s 系统不能保证r a i m 的完好性监测时， 则在进近过程中不能独立使用该程序，这时可在 陆基导航设施及相应的机载电子设备的配合下， 来保证达到相同的完好性，完成仪表非精密进近。图3 - i g p s 单独进近程序平面图 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 对于备降场，也应具备相应的条件m 1 。 基本的g p s 单独进近程序的平面结构象一个大写的英文字母“t ”，如图3 1 所示。一般有四个起始进近定位点( i a f ) ，两个i a f 位于i f i a f 点处的4 5n m ， 起始进近航迹与最后进近航迹成9 0 。夹角( 距离和航迹都可因空域或障碍物 的要求而修改) 。如果起始进近是直线进近，中间进近定位点( i f ) 可能设计为 i a f ，而没有i f 点，i f i a f 点一般距最后进近定位点( f a f ) 5n m ，f a f 点 距复飞点( m a p ) 5 n m ，m a p 点一般位于跑道入口处。有时因空域限制或障 碍物的需要，f a f 点可以设计为一个i a f 点和一个等待程序，这时则没有中 间进近定位点”。 3 2 使用陆基无线电导航的仪表非精密进近程序 3 2 1无线电导航的一般原理 32 11 无线电导航的基本原理利用飞机上的机载无线电导航设备接收和 处理无线电波从而获得导航参量( 方位，距离等) ，再比较出飞机相对于预定 航路的距离偏差和方向偏差，确定出飞机位置及飞往预定地点的航向、时间， 从而引导飞机沿选取定航线安全经济地完成规定的飞行任务，基本原理如图 3 2 所示： 图3 2 无线电导航的基本原理图 3 2 1 2 无线电导航的突出优点不受时间、天气限制，精度较高，定位时 间短，甚至可以边疆地区，适时地定位，能在低能见度和复杂气象条件下实 施领航，是目前保证飞机在复杂气象条件下，按仪表飞行规则( i f r ) 进近着陆 的重要手段。 3